Ny dansk verdensrekord i højhastighedssignaler

DTU’s gruppe for højhastighedskommunikation har lagt sig forrest i den internationale terabit/s-konkurrence. Som de første i verden har gruppen genereret og fejlfrit detekteret et optisk signal med en bithastighed på 5,1 terabit pr. sekund.

Af Jens Ramskov,  mandag 12. okt 2009 kl. 08:53

Terabit/s-eksperimenter udnytter optisk tidsmultipleksing, hvor korte pulser flettes sammen til et pulstog med højhastighed - helt op til 1280 milliarder pulser pr. sekunder. Med et avanceret modulationsformat kan hver puls inholde to bit og med brug af to polarisationer for lyset, bliver bithastigheden fire gange så høj som pulshastigheden - altså 5,1 terabit/s.

En ny rekord er sat inden for højhastighedskommunikation, og endnu en gang er det DTU-forskere, der har fået overført de optiske signaler med hidtil uprøvede hastigheder.

I foråret lykkedes det forskere på DTU som de første i verden at lave en fiberoptisk kommunikationsforbindelse, der med brug af en enkelt laser og det mest enkle, tænkelige modulationsformat, On-Off-Keying (OOK), gennembrød terabit-muren. Under ledelse af Leif Oxenløwe kunne en forskergruppe fejlfrit sende og modtage signaler på 1,28 Tbit/s.

Nu har Hans Christian Hansen Mulvad fra gruppen på DTU Fotonik stået i spidsen for et eksperiment, der med brug af et mere avanceret modulationsformat har sat transmissionshastigheden op til 5,1 Tbit/s.

Det er verdensrekord inden for kategorien "signaler med valgfri modulationsformat". Den hidtidige rekord var på 3,56 Tbit/s sat af en gruppe ved Fraunhofer Heinrich Hertz Institute i Berlin.

Tyskerne forsøgte sig også med 5,1 Tbit/s, men selv med brug fejlkorrigerende koder i signalet var signalet så dårligt, at det ikke kunne overføres fejlfrit. I praksis betyder fejlfri kommunikation, at færre end én ud af en milliard bit detekteres forkert.

Leif Oxenløwe præsenterede det nye resultat på en konference arrangeret af IEEE Photonics Society i sidste uge i Tyrkiet. Han vurderer, at de kæmpestore datacentre, som bl.a. Google, Microsoft og Facebook er ved at opbygge, vil være blandt de første steder, hvor terabit-pr.-sekund-hastigheder vil blive taget i brug.

Verdensrekorden kommer, oven på at Leif Oxenløwe for nylig har modtaget en bevilling fra European Research Council på 11,3 millioner kroner med henblik på at bruge ultrakorte optiske pulser til ultrahøje serielle bit rater. Projektet med titlen Socrates (Serial Optical Communications for Advanced Terabit Ethernet Systems) skal køre over fem år med tre fuldtidsansatte forskere.

Bithastigheden firedoblet
Princippet i det nye forsøg på DTU er det samme som det tidligere forsøg. En 10 Gbit/s-signal multiplekses ad flere omgange til et signal på 1.280 Gbit/s ved at kopiere signalet og tidsforskyde kopierne lidt i forhold til hinanden. Metoden hertil er en præstation i sig selv, da det bl.a. kræver brug af komprimering af pulserne i en ulineær optisk fiber.

Firedoblingen af bithastigheden til 5,1 Tbit/s er sket på to måder. I stedet for kun at modulere signalet ved at tænde og slukke for laserpulsen (OOK), så modulerer man både amplituden og fasen af det optiske signal med dobbelt information ved et modulationsformat, der kendes som DQPSK (differential quarternary phase shift keying). I stedet for kun at have de binære værdier 1 og 0, har man nu fire mulige værdier for fasen: 0, pi/2, pi og 3pi/2.

»Man kunne i princippet også modulere både amplituden og fasen binært for at opnå samme bit rate, men at holde sig til ren fase modulation har vist sig mere stabilt,« siger Leif Oxenløwe.

I det tidligere eksperiment repræsenterede hver puls en binær værdi. Pulshastigheden måles i baud (1 baud = 1 puls/s), og 10 Gbaud svarede til en hastighed på 10 Gbit/s. I det nye eksperiment baseret på DQPSK bliver de 10 Gbaud til 20 Gbit/s. Ved multipleksing dannes et signal på en pulshastighed på 1,28 Gbaud og en bithastighed på 2,56 Gbit/s. Fordoblingen til 5,1 Gbit/s sker ved at udnytte, at laserlys er polariseret – og at lyssignaler ved to vinkelrette polarisationer er separate signaler.

Endnu er der dog et stykke vej til et praktisk anvendeligt kommunikationssystem. Der har kun været et par meter fra sender til modtager i eksperimentet.

»Første skridt har været at vise, at man kan generere et serielt datasignal ved 5,1 Tbit/s. Et transmissionseksperiment over en længere afstand vil være næste skridt,« siger Hans Christian Hansen Mulvad.

Han peger på en lang række udfordringer, der skal overvindes i den forbindelse – ikke mindst "clock recovery" af signalet og kompensation for dispersion i en lang fiber.

Højhastighedskommunikation over korte distancer er også interessante, der gælder bl.a. internt i datacentre, hvor afstandene typisk er under en kilometer.

Vejen til nye rekorder
På spørgsmålet om, hvad man skal gøre for yderligere at sætte hastigheden op i et transmissionseksperiment, vurderer Hans Christian Hansen Mulvad, at det nok vil være smartest at bruge endnu mere avancerede modulationformater.

»Højere pulsrater (målt i baud) vil kræve endnu smallere pulser, og det vil på grund af dispersionseffekter i fiberen nedsætte den afstand, som man potentielt kan sende over,« siger han.